Metabolisme Karbohidrat

Pertama karbohidrat bertindak sebagai sumber energi, bahan bakar, dan zat antara metabolisme. Zat pati pada tumbuh-tumbuhan dan glikogen pada hewan adalah polisakarida yang dapat dengan cepat dimobilisasi untuk menghasilkan glukosa, sebagai bahan bakar utama untuk pembentukan energi. ATP, alat tukar energi bebas yang universal adalah derivat gula terfosforilasi, sebagaimana banyak koenzim.

Kedua, gula ribosa dan dioksiribosa membentuk sebagian kerangka struktur RNA dan DNA. Fleksibilitas cincin kedua gula ini penting pada penyimpanan dan ekspresi informasi genetik.

Ketiga, polisakarida adalah elemen struktur dinding sel bakteri dan tumbuh-tumbuhan, dan rangka luar artropoda. Ternyata selulosa, konstituen utama dinding sel tumbuh-tumbuhan, adalah salah satu senyawa organik yang paling berlimpah di biosfir ini.

Keempat karbohidrat berikatan dengan banyak protein dan lipid, misalnya berikatan dengan gula dinamakan glikolipid. Bila berikatan dengan protein dinamakan glikoprotein. Pada penelitian terkini mengungkapkan bahwa unit-unit karbohidrat pada permukaan membran sel memainkan peranan kunci pada proses pengenalan antarsel. Fertilisasi dimulai dengan pengikatan sperma kepada oligosakarida spesifik pada permukaan telur. Sehingga akhirnya karbohidrat telah menjadi pusat perhatian sebagai molekul kaya informasi yang sangat berarti pada perkembangan dan perbaikan.

 

METABOLISME KARBOHIDRAT

Pencernaan karbohidrat dimulai sejak makanan masuk ke dalam mulut, dengan enzim ptyalin/amylase, karbohidrat dipecah menjadi rantai panjang seperti amilum dan dekstrin akan diurai menjadi molekul sederhana berupa glukosa.

Setelah melalui dinding usus halus, glukosa akan menuju hepar melalui vena porta. Sebagian karbohidrat di ikat di dalam hati dan disimpan dalam bentuk glikogen, sehingga kadar gula darah dapat dipertahankan kisaran 80-120 mg%. Karbohidrat yang terdapat dalam darah, praktis dalam bentuk glukosa, oleh karena fruktosa dan galaktosa akan diubah dahulu sebelum memasuki pembuluh darah. Apabila jumlah karbohidrat yang dimakan berlebihan, sebagian besar disimpan di dalam otot dan selebihnya di dalam hati dalam bentuk glikogen.

Melalui suatu rangkaian reaksi kimia yang panjang, glukosa dan glikogen diubah menjadi asam piruvat (Reaksi GLIKOLISIS). Asam piruvat (jumlah atom C-3) merupakan zat antara penting sebagai hasil metabolisme karbohidrat. Asam piruvat diubah dahulu menjadi Asetyl Co-A sebelum memasuki siklus asam sitrat (TCA-Cycle) di mitokondria. Proses siklik ini akan dihasilkan CO₂, H₂O dan ATP.

 Selain asam piruvat diubah menjadi Asetyl Co-A, juga bisa diubah menjadi asam laktat. Serangkaian proses kimiawi dalam metabolism karbohidrat membutuhkan vitamin B sebagai co-enzim. Perhatikan gambar 17.1 berikut mengenai ringkasan metabolisme karbohidrat.

  Gambar Proses Metabolisme Karbohidrat

GLIKOLISIS

•       Glikolisis adalah rangkaian reaksi yang mengubah glukosa menjadi dua molekul piruvat

•       Pada proses ini juga dihasilkan ATP

•       Dikenal sebagai Embden-Meyerhof pathway

•       Terdapat 10 langkah untuk merubah molekul glukosa menjadi asam piruvat, ke sepuluh reaksi tersebut sebagaimana gambar berikut :

Gambar Proses Glikolisis

Dari serangkaian proses glikolisis terdapat dua fase yaitu tahap persiapan dan tahap pengembalian.

1)   Tahap persiapan

•          Memerlukan 2 molekul ATP

•          Memecah gula heksosa menjadi molekul 2 triose fosfat

2)   Tahap pengembalian

•          Menghasilkan 4 ATP

•          Menghasilkan 2 molekul asam piruvat

•          Menghasilkan 2 molekul NADH + H

•          Sehingga netto energi yang dihasilkan adalah 2 ATP  dari 4ATP-2ATP=2ATP

PROSES PEMBENTUKAN ASETIL KO-A

Adalah proses merubah molekul asam piruvat (Atom C-3) menjadi molekul asetil Ko-A (Atom C-2). Reaksi ini dikatalisis oleh enzim oksidatif karboksilase, bersifat irreversibel artinya menghilangkan gugus karboksi piruvat. Reaksi ini memerlukan 3 enzim dan 5 Koenzim yang akhir reaksi menghasilkan NADH2 dan 3 ATP. Koenzim dimaksud adalah TPP (tiamin pyrophospat), FAD ( Flavin adenin nucleotida) dan NAD (niasin adenine dinukleotida), Lip (lipoid acid) dan CoA (Coenzym-A).

Gambar Pembentukan Asetil Ko-A

SIKLUS ASAM SITRAT

Siklus Krebs terjadi di dalam mitokondria dan reaksinya selalu membutuhkan oksigen. Asam piruvat yang berasal dari hasil glikolisis, begitu masuk ke dalam mitokondria diubah menjadi asetil koenzim A. Kemudian bersamaan dengan berlangsungnya proses oksidasi dalam siklus Krebs, pasangan-pasangan atom hidrogen (2H) dilepaskan bersama dengan CO2. Atom-atom hidrogen tersebut menyajikan ion H+ atau proton dan elektron yang kemudian masuk ke dalam sistem transport elektron mitokondria.

Ion hidrogen dan elektron dipungut oleh molekul NAD+ (nikotinamid adenin dinukleotid), untuk mereduksi NAD+ menjadi NADH. NADH merupakan perantara siklus Krebs dan enzim dalam membran mitokondria yang akan mengangkut elektron melalui sistem sitokrom dari rantai respirasi.

NADH mentransfer proton dan elektron dan terbentuklah FMN (flavin mononukleotida). Kemudian menurut teori kemiosmotik, FMN mengambil proton dari bagian dalam membran, hingga tereduksi menjadi FMNH2. Kemudian dua atom H-nya dilepaskan dan ditransfer ke membran mitokondria eksterior dan dilepas berupa proton (H+). Pada saat yang sama, dua elektron itu menggabung ke molekul ubikuinon atau koenzim Q, yang kemudian mengambil atom-atom H. Kemudian dilepaskanlah satu elektron ke sitokrom C1 dan lainnya ke sitokrom b dari membran mitokondria. Elektron-elektron kemudia ditransfer ke sitokrom a dan a3, dari sinilah elektron bergabung dengan atom oksigen dan dua proton untuk membentuk molekul air.

Dalam urutan oksidasi reduksi yang terjadi di dalam membran serta melintas membran mitokondria, tiap dua proton yang melintas membran dan masuk, akan menyebabkan fosfat anorganik melekat pada ADP karena adanya perbedaan potensial listrik, lalu terbentuklah ATP. Kecepatan reaksi ini akan meningkat oleh adanya sistem enzim.

Secara lebih terperinci, tahap-tahap reaksi pada siklus Krebs dapat diuraikan pada bagian berikut ini.

1)        Pada tahap pertama, enzim sitrat sintase mengkatalisis reaksi kondensasi antara asetil koenzim A dengan oksaloasetat menghasilkan sitrat. Reaksi ini merupakan suatu reaksi kondensasi aldol antara gugus metil dari asetil koenzim A dan gugus karbonil dari oksaloasetat dimana terjadi hidrolisis ikatan tioester dan pembentukan senyawa koenzim A bebas.

2)        Tahap reaksi kedua merupakan pembentukan isositrat dari sitrat melalui cis-akonitat yang dikatalisis secara reversibel oleh enzim akonitase. Enzim ini mengkatalisis reaksi reversibel penambahan H2O pada ikatan rangkap cis-akotinat dalam dua arah, yang satu ke pembentukan sitrat dan yang lain ke pembentukan isositrat.

3)        Reaksi tahap ketiga adalah oksidasi isositrat menjadi alfa-ketoglutarat yang berlangsung melalui pembentukan senyawa antara oksalosuksinat yang yang berikatan dengan enzim isositrat dehidrogenase dengan NAD berperan sebagai koenzimnya.

4)        Tahap reaksi keempat adalah oksidasi alfa-ketoglutarat menjadi suksinat melalui pembentukan suksinil koenzim A. Pembentukan suksinil koenzim A dari alfa-ketoglutarat adalah reaksi yang irreversibel dan dikatalisis oleh enzim kompleks alfa-ketoglutarat dehidrogenase. Reaksi ini berlangsung dengan melibatkan koenzim pirofosfat, asam lipoat, koenzim A, FAD dan NAD+. Suksinil koenzim A adalah suatu senyawa tioester berenergi tinggi. Selanjutnya suksinil koenzim A melepaskan koenzim A-nya dengan dirangkaikan dengan reaksi pembentukan energi, GTP (guanosin trifosfat) dari GDP (guanosin difosfat) dan fosfat. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim suksinil koenzim A sintetase yang khas untuk GDP. Selanjutnya GTP yang terbentuk dari reaksi ini digunakan untuk sintesis ATP dari ADP dengan enzim nukleotide difosfat kinase.

5)        Pada reaksi tahap kelima, suksinat dioksidasi menjadi fumarat oleh enzim suksinat dehidrogenase yang berikatan dengan FAD sebagai koenzimnya. Enzim ini terikat kuat pada membran dalam mitokondria. Dalam reaksi ini FAD berperan sebagai gugus penerima hidrogen.

6)        Reaksi tahap keenam merupakan reaksi reversibel penambahan satu molekul H2O ke ikatan rangkap fumarat yang menghasilkan L-malat dengan dikatalisis oleh enzim fumarase tanpa koenzim. Enzim ini bersifat stereospesifik, bertindak hanya terhadap bentuk L-stereoisomer dari malat. Dalam reaksi ini fumarase mengkatalisis proses penambahan trans atom H dan gugus OH ke ikatan rangkap fumarat.

7)        Reaksi tahap ketujuh atau terakhir adalah L-malat dioksidasi menjadi oksaloasetat oleh enzim L-malat dehidrogenase yang berikatan dengan NAD. Reaksi ini adalah endergonik tetapi laju reaksinya berjalan lancar ke kanan. Hal ini dimungkinkan karena reaksi berikutnya, yaitu reaksi kondensasi oksaloasetat dengan asetil koenzim A adalah reaksi eksergonik yang irreversibel. Malat dehidrogenase adalah enzim yang bersifat stereospesifik untuk bentuk L-stereoisomer dari malat.

Hasil neto dari siklus Krebs serta sistem transport sitokrom adalah untuk menghasilkan 3 ATP lebih banyak dari ADP untuk tiap pasang atom H yang dilepaskan selama siklus tersebut, dan hal ini terjadi melalui fosforilasi oksidatif. Di sini juga dihasilkan tiga molekul CO2 dan tiga molekul H2O.

Struktur kimia asam piruvat CH3 –  C – COO- !! O Terdapat 3 atom C dan 4 atom H

 

Karena ada 2 molekul asam piruvat yang terbentuk dari tiap molekul glukosa dari hasil glikolisis maka siklus Krebs bekerja dua kali untuk tiap molekul glukosa yang dipecahkan. Oleh karena itu, pada dasarnya akan diperoleh empat pasang atom hidrogen untuk tiap siklus. Dua siklus akan menghasilkan 8 x 3 = 24 ATP, dan 2 ATP neto dari glikolisis, ditambah 4 ATP lagi dari pembentuk FAD yang tereduksi selama siklus Krebs. Di samping itu juga 2 ATP lagi dari fosforilasi oksidatif pada tingkat substrat, yang kesemuanya menjadi 32 ATP, enam lagi masih mungkin dari generasi glikolitik dari NADH2.

Gambar Siklus TCA

FOSFORILASI OKSIDATIF

Rantai Respirasi

Rantai respirasi adalah rangkaian proses transfer elektron hidrogen yang terjadi pada bagian membran dalam mitokodria dengan melibatkan sejumlah enzim. Hasil akhir dari rangkaian proses transfer elektron ialah sejumlah energi berbentuk ATP yang diperlukan dalam berbagai aktivitas organisme hidup.

Respirasi sebagai suatu proses oksidasi yang terdiri banyak tahapan reaksi dan juga respirasi adalah oksidasi selular di mana energi yang disimpan dalam molekul-molekul makanan dilepaskan dan digunakan oleh sel. Dalam reaksi tersebut, H₂O dan CO₂ merupakan hasil akhir dan energy terlepas. Reaksi umum respirasi:

C₆H₁₂O₆+ 6 O₂ +6 H₂O  —–> 6 CO₂ +12 H₂O + ATP

Reaksi respirasi merupakan reaksi katabolisme yang memecah molekul-molekul gula menjadi molekul anorganik berupa CO₂ dan H₂O. Tujuan respirasi adalah untuk mendapatkan energi melalui proses glikolisis. Senyawa gula diperoleh dari proses fotosintesis. Butiran amilum yang tersimpan dalam jaringan dan organ penyimpan cadangan makanan akan diubah kembali dalam bentuk glukosa fosfat di dalam sitoplasma sel. Kemudian glukosa fosfat akan dipecah menjadi piruvat dan masuk ke dalam siklus Krebs. Selama glikolisis berlangsung dan dalam siklus Krebs akan dihasilkan gas CO₂ yang akan dikeluarkan dari dalam sel. Gas tersebut dengan berdifusi akan terkumpul dalam rongga-rongga antar sel dan bila tekanan telah cukup akan keluar dari jaringan.

Aliran elektron dari substrat ke oksigen merupakan sumber energi ATP

Pada setiap putaran siklus asam sitrat, 4 pasang atom hydrogen dipindahkan dari isositrat, α-ketoklutarat, suksinat, dan malat melalui aktifitas dehidrogenase spesifik. Atom hidrogen ini, pada beberapa tahap memberikan elektronnya kepada rantai transport elektron dan menjadi ion H⁺ yang terlepas kedalam medium cair. Electron tersebut diangkut disepanjang rantai molekul pembawa elektron, sampai elektron-elektron ini mencapai oksidase sitokrom, yang menyebabkan pemindahan electron ke oksigen, yakni molekul penerima electron pada organisme aerobic. Pada saat masing-masing atom oksigen menerima 2 elektron dari rantai tersebut, 2 atom H⁺, yang setara dengan 2H⁺ yang dilepaskan sebelumnya dari 2 atom hydrogen yang dipindahkan oleh dehidrogenase diambil dari medium cair untuk membentuk H₂O.

Rantai respirasi terdiri dari serangkaian protein dengan gugus prostetik yang terikat kuat, dan mampu menerima dan memberikan electron. Setiap anggota dapat menerima electron dari anggota sebelumya, dan memindahkan electron ke molekul anggtoa berikutnya, dalam uraian reaksi yang spefisik. Elektron yang masuk ke dalam rantai transport electron yang kaya akan energy, tetapi pada saat electron tersebut melalui rantai, menuju ke oksigen dengan cara setahap demi setahap, electron tersebut kehilangan kandungan energy bebasnya. Banyak dari energy tersebut yang disimpan dalam bentuk ATP oleh mekanisme molekul pada membrane mitokondria sebelah dalam. Pada saat masing-masing pasangan elektron melalui rantai respirasi dari NADH menuju oksigen sintesis 3 molekul ATP dari ADP dan posfat berlaangsung bersama-sama. Ketiga bagian rantai respirasi yang memberikan energy untuk menghasilkan ATP melalui fosforilasi oksidatif disebut sisi penyimpanan energi.

Senyawa pengangkut electron selalu berfungsi dalam urutan spesifik

Pertama, potensial redoks bakunya secara berturut-turut semakin positif pada arah menuju oksigen, karena elektron cendrung mengalir dri sistem elektro negative ke sistem elekro positif menyebabkan penurunan dalam energi bebas.

Kedua, setiap rantai anggota respirasi bersifat spesifik bafi senyawa pemberi dan penerima electron tertentu. Sebagai contoh NADH dapat memindahkan electron ke NADH dehidrogenase, tetapi tidak dapat memindahkan electron ini secara lagsung ke sitokrom b atau ke sitokrom c.

Ketiga, kompleks structural protein pengangkut electron yang fungsinya serupa telah dapat diisolasi dari membrane mitokondria. Kompleks I terdiri dari NADH dhidrogenase dan pusat besi-sulfurnya yang erat berhubungan dalam fungsinya. Kompleks II terdiri dari saksinat dehidrogenase dan pusat besi sulfurnya. Komplek III terdiri dari sitokrom b dan c_2, serta pusat besi sulfur spesifik. Sitrokrom  a dan a3 bersama-sama menyusun kompleks IV. Ubikuinon merupakan rantai penghubung di antara kompleks I, II,  dan III, serta sitokrom c merupakan rantai penghubung diantra kompleks III dan IV.

Fosforilasi Oksidatif

Ranti respirasi terjadi di dalam mitokondria sebagai pusat tenaga. Di dalam mitokondria inilah sebagian besar peristiwa penangkapan energi yang berasal dari oksidasi respiratorik berlangsung. Sistem respirasi dengan proses pembentukan intermediat berenergi tinggi (ATP) ini dinamakan fosforilasi oksidatif. Fosforilasi oksidatif memungkinkan organisme aerob menangkap energi bebas dari substrat respiratorik dalam proporsi jauh lebih besar daripada organisme anaerob.

NADH dan FADH₂ yang terbentuk pada reaksi oksidasi dalam glikolisis, reaksi oksidasi asam lemak dan reaksi-reaksi oksidasi dalam siklus asam sitrat merupakan molekul tinggi energi karena masing-masing molekul tersebut mengandung sepasang elektron yang mempunyai potensial transfer tinggi. Bila elektron-elektron ini diberikan pada oksigen molekuler, sejumlah besar energi bebas akan dilepaskan dan dapat digunakan untuk menghasilkan ATP. Fosforilasi oksidatif merupakan proses pembentukan ATP akibat transfer elektron dari NADH atau FADH₂ kepada O₂ melalui serangkaian pengemban elektron. Proses ini merupakan sumber utama pembentukan ATP pada organisme air. Sebagai contoh, fosforilasi oksidatif menghasilkan 26 dari 30 molekul ATP yang terbentuk pada oksidasi sempurna glukosa menjadi CO₂ dan H₂O.

Aliran elektron dari NADH atau FADH2 ke O2 melalui kompleks-kompleks protein, yang terdapat pada membran dalam mitokondria, akan menyebabkan proton terpompa keluar dari matriks mitokondria. Akibatnya, terbentuk kekuatan daya gerak proton yang terdiri dari gradient ph dan potensial listrik trans membran. Sintesis ATP teradi bila proton mengalir kembali kedalam matriks mitokondria melalui suatu kompleks enzim. Jadi, oksidasi dan fosforilasi terangkai melalui gradient proton melintasi membran dalam mitokondria.

Proses fosforilasi oksidatif

Organisme kemotrop memperoleh energi bebas dari oksidasi molekul bahan bakar, misalnya glukosa dan asam lemak. Pada organisme aerob, akseptor elektron terakhir adalah oksigen. Namun elektron tidak langsung ditransfer langsung ke oksigen, melainkan dipindah ke pengemban-pengemban khusus antara lain nikotinamida adenin dinukleotida (NAD⁺) dan flavin adenin dinukleotida (FAD).

Pengemban tereduksi ini selanjutnya memindahkan elektron ke oksigen melalui rantai transport elektron yang terdapat pada sisi dalam membran mitokondria Gradien proton yang terbentuk sebagai hasil aliran elektron ini kemudian mendorong sintesis ATP dari ADP dan P_i dengan bantuan enzim ATP sintase. Proses tersebut dinamakan fosforilasi oksidatif. Dalam hal ini energi dipindahkan dari rantai transport elektron ke ATP sintase oleh perpindahan proton melintasi membran. Proses ini dinamakan kemiosmosis.

Secara ringkas fosforilasi oksidatif, terdiri atas 5 proses dengan dikatalisis oleh kompleks enzim, masing-masing  kompleks I, kompleks II, kompleks III, kompleks IV dan kompleks V

Tabel Informasi tentang enzim yang berperan dalam fosforilasi oksidatif

Nama	Penyusun	Da l	Polypeptides
Kompleks I	NADH dehydrogenase (or) NADH-coenzyme Q reductase	800	25
Kompleks II	Succinate dehydrogenase (or) Succinate-coenzyme Q reductase	140	4
Kompleks III	Cytochrome C – coenzyme Q oxidoreductase	250	9-10
Kompleks IV	Cytochrome oxidase	170	13
Kompleks V	ATP synthase	380	12-14

Dalam fosforilasi oksidatif, daya gerak elektron diubah menjadi daya gerak  proton dan kemudian menjadi potensial fosforilasi. Fase pertama adalah peran komplek enzym sebagai pompa proton yaitu NADH-Q reduktase, sitokrom reduktase dan sitokrom oksidase. Komplek-komplek transmembran ini mengandung banyak pusat oksidasi reduksi seperti flavin, kuinon, besi-belerang, heme dan ion tembaga. Fase kedua dilaksanakan oleh ATP sintase, suatu susunan pembentuk ATP yang digerakkan melalui aliran balik proton kedalam matriks mitokondria.

GLIKOGENOLISIS

Ketika tubuh memerlukan glukosa untuk memperoleh energi, karena glukosa dalam darah tidak mencukupi, maka hati akan memecah glikogen yang ada dalam sel hati untuk mendapatkan glukosa sebagai sumber energi. Proses pemecahan glikogen dalam sel hati (hepatosit) diawali dengan pemecahan glikogen menjadi glukosa-1-fosfat dan glikogen, dimana reaksi ini disebut fosforilasi, karena reaksi tersebut di katalis oleh enzim fosforilase dan juga terjadi penambahan gugus fosfat. Fosforilasi menyebabkan ikatan 1,4 alfa terputus.

Setelah terjadi proses fosforilasi dari glikogen yang menghasilkan glukosa-1- fosfat dan glikogen, proses selanjutnya adalah memecah ikatan 1,6 alfa melalui proses hidrolisis dengan bantuan enzim alfa 1,6 glukosidase dan H2O. Karena fosforilasi tidak dapat memecah ikatan 1,6 alfa.

Setelah ikatan 1,6 alfa terputus, maka akan ada ikatan 1,4 alfa lain yang bebas yang siap mengalami fosforilasi membentuk glukosa 1-fosfat. Dimana kita ketahui sebelumnya bahwa antara 2 ikatan 1,4 alfa akan disisipi ikatan 1,6 alfa, sehingga jika ikatan 1,6 alfa tidak dipecah terlebih dahulu, menyebabkan ikatan 1,4 alfa yang terletak di belakang ikatan 1,6 alfa tidak akan dapat mengalami fosforilasi membentuk glukosa-1-fosfat.

Tahap selanjutnya dalam proses degradasi glikogen adalah merubah glukosa-1-fosfat menjadi glukosa-6-fosfat, dengan bantuan enzim “phosphoglucomutase”, dimana enzim ini akan memberikan gugus fosfat ke ikatan karbon no 6 sehingga terbentuk glukosa 1,6 bifosfat, selanjutnya enzim ini akan mengambil gugus fosfat yang ada di karbon no 1, sehingga terbentuklah glukosa-6-fosfat.

Glukosa-6-fosfat ini tidak dapat keluar dari sel hepatosit menuju peredaran darah karena masih mengikat gugus fosfat, sehingga untuk melepaskan gugus fosfatnya diperlukan suatu enzim yang bernama glukosa-6-fosfatase, yang berada di retikulum endoplasmik.

Glukosa yang terbentuk sudah dapat menembus membran sel hepatosit menuju beredaran darah dan siap digunakan untuk menghasilkan energi. Selain hati, organ yang mempunyai enzim glukosa-6-fosfatase adalah ginjal. Otot skeleton dan otak tidak mempunyai enzim tersebut sehingga organ tersebut hanya menggunakan glukosa yang mereka ambil dari peredaran darah, tanpa bisa mensintesa sendiri. Glukosa-6-fosfat yang dihasilkan dari degradasi glikogen akan mengalami 3 proses berbeda, yaitu:

1.     Memasuki proses glikolisis, untuk dimetabolisme baik melalui proses aerobik maupun anaerobik, didalam sel otot dan sel otak.

2.    Dirubah menjadi glukosa didalam sel hati dan sel ginjal untuk dibawa ke peredaran darah dan digunakan untuk menghasilkan energi ke semua organ didalam tubuh.

3.      Memasuki jalur “pentose phosphate” dan menghasilkan NADPH dan ribose.

Gambar proses glikogenolisis.